第502期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《数字孪生》
讲座题目：透视新科技——数字孪生
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：陶 飞，北京航空航天大学教授。
程江峰，北京航空航天大学博士。
讲座时间：2023年10月23日～10月29日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——数字孪生
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。进入信息技术时代之后，我们经常会听到一些跟数字有关的概念。今天我们来分享一个新的跟数字有关的概念，叫数字孪生技术。这项技术一经诞生，便引起了社会的广泛关注，并且很快应用到了飞机制造领域，而且这项技术还会导致未来的制造业产生很大的变革，我们先通过短片去了解一下。早在2002年，美国密歇根大学的教授迈克尔·格里弗斯就提出在计算机的虚拟世界，建立一个跟实物一模一样的模型，他把这个模型叫作数字孪生体，这就是数字孪生这项技术的雏形。然而，这项技术在当时并没有受到重视，直到2010年，美国国家航空航天局正式将数字孪生技术，应用于航空航天领域，实现了在研发阶段降低成本的目的。近年来，数字孪生技术被广泛应用于工业制造、智慧城市、智慧医疗等等领域。这究竟是一项什么样的技术？它为何应用范围如此广泛呢？首先我们给大家介绍一下，我们今天请来的两位专家。第一位是来自北京航空航天大学的陶飞教授，接下来为大家介绍的是北京航空航天大学的程江峰博士，欢迎您！
刚才我们通过短片，了解了一个新的概念数字孪生。孪生这个词其实我们并不陌生，生活当中我们经常说孪生姐妹、孪生兄弟等等，这个数字怎么孪生？通常来讲的话，我们一说到双胞胎或者说到孪生，就会想到两个物体，或者两个人长得特别像。差不多一模一样。你比如说一对双胞胎，又比如说我们可能去过西安的秦始皇兵马俑。我们看到一个个兵马俑，跟秦兵长得一模一样，那么这些都是外形特别相像。那么当有外形相像的时候，人们就觉得，还有没有功能可能相似呢？你比如说在《三国演义》里面，诸葛亮发明了木牛流马。那么它不仅长得和真的牛马一模一样，还具备真的牛马的这种功能，这就是我们早期的对物理对象的一种克隆，或者是一种孪生。仅仅只有物理像或者是功能像，还不能够满足人类认知物理世界这种好奇心的一种需求，那么这个时候，随着计算机信息技术的发展，通过数字化的技术，信息的技术来实现物理对象的这种克隆。孪生的数字跟我们认知的这一二三四五六七八九十是一样的吗？
从字面上来讲叫数字孪生，很多人以为就是数字的克隆，或者是数字再复制一个数字，可能这么理解。但是它实际上是一个信息的概念，实际上对物理对象它的一种在数字化世界里面的一种表达。陈博士怎么理解数字孪生这个概念？数字孪生就是借助于现在的这种新的信息技术，能够对一个物理实体，我去刻画一个跟它一模一样的数字化的一个模型，仅仅是两者完全一样可能还不行，那么最主要的是两者一模一样，能用来干什么。那么首先，它俩的关系是有交互和共生的关系。那么我以飞机为例，我阐述一下交互和共生这两个概念，数字化模型就像一个影子一样，永不消失。这个影子，实际上就是物理飞机的数字孪生体。就是说物理飞机在实际飞行的时候，它的所有的状态能够实时更新到这个数字孪生体当中，那么数字孪生体本身，应该还具备会思考的能力。它在实施飞行的时候，判断航线飞行姿态，是否有可能会出现什么故障，比如说发动机故障，它及时做出预判之后，能够及时地再通过虚拟层面的数字孪生体去控制物理的飞机，这样就构成了一个交互的概念。
共生就是说有了飞机，还有它的孪生体，它俩是相伴一生的。很多人可能会想到，我们在科幻片当中看到的全息影像技术，这两个之间有没有区别，您说的数字孪生跟全息影像技术有没有区别。你比如说我们可以通过全息影像技术，实现一个已故的歌手。她在舞台上的歌唱的表演，那么我们观众，不仅可以看到和真人一模一样的一个虚拟化的这样的一个歌手，还能够听到和真人一模一样的歌声，从表象上来看的话都是虚拟的。但是全息影像技术，它本质是一种显示的技术，主要是通过衍射和干涉的原理来实现物理对象，它的一种虚拟的三维的，可视化的一种展现。只是对它的一个外观的一种展现，但它的内部的这种结构，它是没有办法去描述的，相当于它就没法对物理对象五脏六腑进行一个描绘，但我们数字孪生，恰恰是这样解决这样一些的问题。那么全息影像，我们看到的这种虚拟的东西，相当于人的一个影子。我们人动我们的影子可以动，但是没有说影子动，反过来影响我们人动。实际上在我们的数字孪生技术里面的话，我们可以通过物理对象发生的变化，那么我的虚拟的三维模型数字孪生体也发生变化，同时我的虚拟孪生体，就是数字孪生体它的一些指令，反过头来可以作用到我的物理体。
你比如说关机、开机，加速、减速等等，它也会反过来作用到了我们的物理体里面，此外就是说全息影像它不会思考，也不会去分析。但是我们数字孪生（体）的话，它一个很重要的功能，可以（有）思考的能力的。有学习的能力了，你比如说飞机在飞行过程中，遇到紧急事故，比如说鸟撞它可以怎么避免，它这样的会去思考。或者说当前飞行的姿态，飞行的路线是否准确合适，它去思考之后做相应的决策，决策之后去反过来控制物理飞机，所以它两者这是一个交互的过程。当时我们研究这个数字孪生技术初衷是什么？从数字孪生的起源与发展来看，数字孪生这个概念，最早是由美国人提出来，并且用在了航空航天领域。大家都知道在早期比如说莱特兄弟造飞机的时候，那个时候怎么去造飞机，那么首先是通过手，然后在纸上去设计飞机的这种结构和方案。然后根据图纸，再把飞机一步步造出来，这个过程大家可以想一下，就是效率非常低。随着计算机的投入和使用，这个时候特别是软件工具的出现，人就可以用软件来实现飞机的二维图纸的设计，这样大大提高了设计的效率，修改起来也很方便。数字化的技术也在发展，那么我们通过在三维的模型上面，来进行飞机的设计更加直观，这样我们整个后面的孪生体，数字孪生的技术，能够促进飞机的智能化的升级。
2015年的话，由于德国在推行工业4.0，大家都听说过这样一个概念，他们也在探寻一种技术，怎么把工业4.0这个理念去实现，真正地用在生产，所以在2015年德国发表了第一篇关于数字孪生和工业4.0结合的文章。我们数字孪生技术的诞生之后，对于我们整个飞机制造业是一个怎样的改变？比如说在飞机制造出来之前，先设计飞机，这个时候我就有这个数字孪生体，我可以基于这个数字孪生体去快速地验证，我设计飞机的一个方案，是否符合我设计的一个需求，设计人员可以快速地去修正设计方案。再比如说我们飞机设计好了之后，我们真正地投入空中的运营之前，要做很多的这种风洞的试验。那么每一次风洞的试验，持续的时间很长，需要很多的耗电，它的成本非常高。你比如说F－22战斗机，它的累达到了1.2万个小时，我们可以通过建立飞机的数字化的数字孪生体，我们在数字孪生体里面，对一些飞机的不同的运行状况和一些工况来进行一个分析，这样的话可以减少风洞的（试验）次数，然后降低成本，然后缩短飞机的研发周期。另外一个在飞机制造出来原型机飞行的时候，测试的时候，因为这是飞机在真正飞行之前，必须要做的工作。那么传统都是要在实际飞机用试飞员，甚至冒着非常大的危险去做试飞。有这个数字孪生体，我可以部分替代它这样一个实际飞行，有一部分在数字化的空间当中，我去做模拟飞行。
两位刚才也提到一个试飞员，因为我曾经采访过试飞员，有的时候真的可能会碰到故障。我们的国家的飞行员为了救一个（架）飞机，然后牺牲自己生命来保护飞机，这是因为我们在之前，数字化信息化的手段，还是用得不够全面。或者是没有完全用，我相信在未来，如果我们的飞行员驾驶飞机的过程中，遇到了外部的这种情况，我们通过数字孪生体对外部环境的数据的感知，对当前的状况进行一个分析，会告诉飞行员怎么去做，有可能就是飞行员的生命和飞机同时可以怎么样，我们都可以挽留，这样的话可以避免事情的发生。以飞机起落架为例，据统计在所有的威胁飞行安全的所有的事故当中，飞机起落架的故障是在所有的威胁当中排第二的，它的安全性实际上对飞机安全是非常重要的。一个起落架寿命，可能长达十几年，现在有的可能长达20年30年，如何在它这么长的生命周期当中，我怎么样知道它什么时间会出现什么样的故障？那么现在其实都是在每次飞行之前，对起落架进行外观和物理的这种检查，但是这种检查，其实是通常难以发现，这种微观层面的材料的老化、磨损、形变，这种微观机理的变化很难发现。有了数字孪生体之后，起落架的数字孪生体，我可以在虚拟的空间，我去对起落架的一个状态，每次的飞行产生的磨损老化，我对它进行一个预测。这样我就可以提前去预知，它可能什么时间出现什么样的故障，我提前采取这种预防的干预措施，从而保障飞行安全。
飞机本身和孪生体的飞机，就是鸡生蛋和蛋生鸡，哪个是先有的，两位能解释一下吗？有的情况下它是先有物理体，再有孪生体。有情况它先有孪生体，然后再有物理体。打个比方说，如果我们一架已经飞行了很多年的一个（架）飞机，那么我们想通过数字化的这种方式，来判断飞机的发动机，它未来的安全性或者它的一些寿命是什么样的一个情况？这个时候，我们就可以建立它的一个飞机发动机的，一个数字孪生体的发动机，然后在数字孪生体里面对它进行数据，还有感知的这种状况，来进行一个分析和预测。在这种情况下，就是先有物理的物理体，然后再有数字孪生体，当我们要设计下一代，新一代的飞机或者是发动机的时候，那么这种情况就反过来了，实际上在波音787飞机的设计过程中，就用了这种数字孪生的这种全三维的数字化的技术。那么用了这个技术之后，（波音）787的飞机它的设计的周期，研发的周期比（波音）777少了三分之一。它的成本降低了50%，所以这种情况下就是先有孪生体，再有物理体。
数字孪生技术是不是相当于具备了预测未来的这种功能？数字孪生技术区别于以往的这种信息技术，它的最大的一个特点就是具备对未知的一些情况，或者未来进行一个预测和判断。比如说在制造企业，那么它可以通过对设备的运行状况和健康状况进行一个预测，来避免生产停产，因为我们如果在生产线，特别是在流水线生产中，当我们设备发生故障的时候，不是说简简单单把设备换了就完了。那么一旦停产，可能造成加工的流水线的产品全都是废品，这个损失是巨大的。那么如果我们通过数字孪生体这样的一个技术的话，在设备坏之前对它进行一个预测，你比如说我们也听说过一些核电站的这种大型的装备。它一旦发生了事故，如果是事后再去补救，或者是采取措施的话是来不及了。因为核辐射核泄漏，但是如果我们通过孪生体，在它发生泄漏，发生事故之前，我们能够提前知道。这样的话，我们就可以避免这种事故。当一个工厂有了自己的数字孪生体，那么随着工厂的生产运行，它的数字孪生体也会发生相同的变化。同时，可以通过操作数字孪生体，控制工厂运行。当工厂需要改造时，工程师们可以在数字孪生体上进行实验，找到最佳方案。
比如国产飞机也采用了数字孪生技术，工程师通过对数字孪生体的测试调整，使得飞机制造既省时又节约成本。一架架飞机的成功试飞，数字孪生技术有着不可磨灭的功绩，而飞机的数字孪生体在未来还会为这些飞机的安全飞行提供最好的保障。数字孪生技术目前在国际上有哪些应用？现在其实数字孪生已经应用在石油领域，那么尤其在石油的开采过程当中，监测石油开采的全过程，采集它的数据，分析我开采的这些设备的健康（状况）。比如说英国的石油公司，它应用数字孪生技术，对整个的一个采油的这样一个工艺优化，也从原来的20多小时缩短到了20多分钟。另外一个就是在医疗领域，通过数字孪生的技术，然后引入到心脏手术的这种模拟。等于说建立了另一个心脏，然后通过对它的调整，就能够达到对人体的真的心脏的调整，它不是说直接通过在虚拟层面控制心脏，然后直接去控制人体的，它不是这样的。因为对人体是不允许这样来操作，它其实是构建了这样一个心脏的数字孪生体，它能够模拟心脏各方面的生理机能，然后通过数字孪生心脏，其实更多的是用于辅助医生，包括模拟手术，它做一些虚拟化的，其实就在实际手术之前，它借助于数字孪生心脏，它去做虚拟的手术。大大地提高了我们的精准的手术和治疗。
对，因为在我们做手术过程中，不像在工业上错了我可以再来。这个数字孪生技术在我们国家现在的发展的状况是什么样的？应该说跟国际上来比的话，我们当前正处于一个迎头赶上的这样的一个状况，中国在数字孪生研究，应该说相对来讲起步晚一点。但是我们的加速度很快，应该在理论上面来讲的话，我们国家中国的数字孪生的研究，应该说处于一个领跑或者是并跑的这样的一个地位。你比如说我们在国际上是第一个提出数字孪生车间的概念，那么这个概念目前已经被国际国内一百多个高校来跟踪研究。包括空客用了我们理念，在它的直升机的设计里面也用到了。在中国数字孪生已经得到了部分应用，雄安新区就是国内首个依照数字孪生理念设计的城市。数字孪生城市可以对城市的街道、社区、医院、商业区、红绿灯，甚至污水管道、排水系统等进行模拟，从而使城市建筑更好地满足人们的需求，并实现信息资源的最优分配。未来基于数字模拟，雄安就可以进行暴雨、大雪、交通疏导等特定场景的应急演练。我们都知道中国是一个制造业的大国，数字孪生技术进入到我们的制造业体系当中，是不是可以替代传统的制造业，给我们带来改变？
实际上就是说数字孪生，本身它是一项使能技术。技术本身是没法说，替代制造这样一个产业，但是数字孪生技术能够促使传统的制造业能够更数字化，更自动化，更智能化。然后我可以在这个车间，数字车间的数字孪生体当中，我去做虚拟的装配。首先一方面虚拟装配，我可以做演练演示，训练工人。让他的技能得到更快提升，另外我在实际装配的过程当中，工人做的任何操作，实时更新到数字化的一个工厂当中，分析他装配的步骤对不对。装配的精度是否符合要求，它实时分析的结果又反馈给车间工人，这样就加快了装配的这样一个效率。在讲这番话的时候我在想，我们传统的制造业的大国，过去讲大国工匠车、钳、铣、刨、焊等等这几个工种。有了我们这个数字孪生技术之后，这些人工的技术是不是会被取代？我们传统那些大工匠，他们手艺怎么办？首先数字孪生，它不是说要去取代传统的技术，或者取代人的作用。人是在所有的生产活动当中，永远是处于最主要的位置。那这么好的技术，为什么我们没有广泛应用？这里面存在着哪些困难和挑战？
它确实存在很多难点，你比如说第一个方面，我要实现构建这样一个跟物理世界一模一样的孪生体。如何一模一样？我要在构建模型的时候，首先我对这个模型的构建提出非常高的要求，模型它有六个难题，第一个这个模型从无到有，怎么建起来就是叫建模的问题。第二个我们飞机有400万零部件，如何从简单的模型到一个复杂模型，就是从零件到部件到一个整机。装完之后，它是否正确，顺序有没有错误，这个还要验证。另外在使用过程中，模型在使用过程中比如发生了磨损，它还会发生一些偏移，怎么去校对。最后上万个模型，怎么去管理。另外在交互这一块，刚才咱们一直在说是数字孪生，一个非常重要的特点，就是交互孪生体如何思考？再反过来控制物理世界，这里边涉及到实时性、准确性，要求非常非常高。因为你控制物理世界不能出错误。我们的数字孪生技术未来的发展的前景，除了在飞机制造业之外，还会应用在哪些领域？
从一个比较理想状态方向，将未任何一个物理对象都会有一个数字孪生体，比如说我们人。我们也算是个物理对象。我们算是一个看得见、摸得着，会呼吸、会说话的一个人。我们一出生，我的身高，我的体重，包括我的父母，他的一些家族的这种病史，这样一些遗传的这种，包括过敏史这些数据，都可以记录下来。每年我的体检的数据，也可以记录在我的数字孪生体的虚拟的大里面。这样的话，你比如到我今年40岁了，我想知道我50岁之后有没有高血压，有没有糖尿病这种可能，就可以把我当前的身高体重，我的一些生理特征的数据，再结合我以前的体检的数据，那么还有我的一些家族历史的数据来进行一个分析。你就可以预测，我将来有没有可能有糖尿病，或者是高血压这种风险，你就可以提前做一些预测。该锻炼的锻炼，该忌口的就忌口，该运动的就运动，那么可以指导人来（监测）健康。就另一个我，比我自己更了解我。对，是这个意思，这就是数字孪生技术。我再举一个以地球为例，那么如果有了地球的这样一个数字孪生体，我可以实时监控地球的这种地理信息，本身我构建了地球的地理信息模型，我可以对可能发生的地震进行预测。另外，我监控地球的任何的这种气象的信息的变化，我去做采集，现在其实天气预报可能是做几天会比较短一段时间，以后有可能会实现，对未来一个月甚至半年，甚至更久的可能发生的一些气象。
一个模拟的地球出现了，它告诉你哪里可能会出问题。比如说下一年，有可能出现多少次的台风。你看你这样一说，我觉得特别乐观，但是同时我是有忧患意识的，一旦说这项技术出现数字混乱，这个影响是非常可怕的，我们怎么去监控呢？我也非常赞同您的担心，我们自身也其实也有（这个）担心，你数据越多，你一定要考虑安全的问题。当然咱们国家现在也特别重视网络安全，这个是后续需要下大功夫的。以现在来说，咱们现在其实每个人都有微信、邮箱、E-mail，甚至以前有QQ或者一些其他的，包括一些银行账号，这么多数据。咱们现在其实数据本身没有混乱，以后其实数字孪生一样，每个人不同的种类，它都有相应的一些不同的区分。那么可以通过，比如说甚至人的虹膜、指纹等各种信息，我去做这种分类。数字孪生技术，随着它的发展，真正给人类，给我们普通人带来的改变将会是什么？
我想的话数字孪生将来对我们的衣食住行，都会产生巨大的变化（影响）。谈到这个问题，我就想起我十多年前在美国的求学的这种经历。因为我是在美国密西根大学，去做博士后，大家都知道密西根大学是靠北边，美国的北边非常冷，一年大概有6个月的冬天。所以那个时候，我们冬天从租的房子，然后去实验室一般都会开车。早上起来的话，是因为过了一晚上雪很厚，然后我们第一个事情就是把车打燃，然后再去把雪铲掉。那么现在我们从温暖有暖气的屋子里面跑出去，把发动机打燃，然后再跑到屋子里面来，然后等着发动机热了之后，这样雪就比较容易铲。那么当时我就想，将来有一天我要设计一个车，那么就是说我早上起来就在被窝里面，我通过ipad（平板电脑），我就可以来访问我的汽车的三维的模型，也就是数字孪生体的汽车。然后，车里面相当于是一键体检，一键可以启动汽车。然后，也可以来看我的胎压，看我的刹车，甚至看我的油量的情况，这样的话就很方便了，我就可以驾驶我的汽车，而且提高它安全性和它的这种可靠性。
今天非常感谢两位专家，做客我们《透视新科技》节目。其实我觉得我作为这个节目的主持人非常地荣幸，因为每次主持完一场节目之后，对未来的生活都是充满了积极健康的心态，因为未来可期。也希望你们的科技成果给我们人类真的带来更多的方便，便捷和高效的生活。好了，在这儿非常感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想更多地了解我们节目的内容，可以下载央视频去分享我们其他的节目，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
